Článek shrnuje různé teoretické úvahy i empirické pokusy o dosažení laserové akce na mezipásových elektronových přechodech v polovodičích s nepřímým zakázaným pásem (germanium a křemík), počínaje zrodem „laserové epochy“ na začátku šedesátých let minulého století. Zatímco v germaniu bylo laserování za pokojové teploty a při elektrickém čerpání nedávno konečně experimentálně demonstrováno, v křemíku zůstává tento cíl stále ještě iluzorní. Pro tento případ článek zdůrazňuje nutnost použít poněkud jiný přístup než u germania. V tomto smyslu jsou diskutovány nejnovější výsledky získané s použitím luminiscenčních křemíkových kvantových teček (nanokrystalů).
Tento článek vyšel v čísle 1/2020 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autory jsou Ivan Pelant a Kateřina Kůsová z FZU AV ČR.
Úvod
Již krátce po průkopnických publikacích popisujících úspěšnou realizaci prvních polovodičových laserů (r. 1962) na arsenidu gallia GaAs [1, 2, 3, 4], materiálu s přímým zakázaným pásem, se objevily úvahy o tom, zda laserování lze dosáhnout i v polovodičích s nepřímým zakázaným pásem. Důvod byl zřejmý – tehdy tvořilo materiálovou základnu polovodičové elektroniky germanium, přičemž je postupně nahrazoval křemík jakožto materiál s lepšími šumovými vlastnostmi. Oba tyto polovodiče mají nepřímý zakázaný pás (obr. 1), což bylo počátkem šedesátých let minulého století již notoricky známo. Stejně tak byl ovšem znám rozdíl mezi přímými a nepřímými optickými přechody, pokud jde o pravděpodobnost zářivé rekombinace elektronu s dírou: v nepřímém polovodiči je tato pravděpodobnost o mnoho řádů (nejméně o pět) nižší. Důvodem je to, že (v terminologii kvantové mechaniky) jde o proces vyššího řádu, v němž se – kromě elektronu a díry – rekombinačního procesu musí účastnit kvanta kmitů krystalické mřížky, tedy fonony. Ty zajišťují splnění zákona zachování hybnosti.
Nicméně se v té době také vyjasnilo, že navzdory zmíněnému zásadnímu rozdílu v pravděpodobnosti zářivé rekombinace neposkytuje fyzika (konkrétně kvantová teorie pevných látek) žádný striktní „non existence“ teorém, který by jasně formuloval nemožnost laserování na nepřímých přechodech přes zakázaný pás.[1] Logicky tedy vznikla poptávka, či v anglosaské terminologii challenge, zda i nepřímé polovodiče Ge a Si, inherentně „špatné zářiče“, mohou být použity k výrobě polovodičových injekčních laserů.[2] Od té doby de facto až do současnosti lze v literatuře vysledovat dva přístupy používané v teorii a taktéž empiricky:
[1] V tomto příspěvku se nebudeme zabývat Ramanovým křemíkovým laserem [H. Rong. a kol.: Nature 433, 292 (2005)], protože v tomto případě se nejedná o excitaci elektronového systému, a tudíž tento typ laseru nelze čerpat elektrickým způsobem.
[2] Je jistou zlomyslností přírody (?), že germanium a v současné době zejména křemík, polovodiče s výbornými elektrickými vlastnostmi představující téměř bezkonkurenční materiálovou základnu elektroniky a mikroelektroniky, jsou špatnými luminofory, tj. zdroji světelného záření ve viditelném či blízkém infračerveném oboru.